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新型含氟涂层材料的合成及其在棉织物上的应用

汤威宜  
【摘要】:氟碳化合物因其特别低的表面自由能而在涂层、表面活性剂及润滑剂等领域有着广泛而重要的应用。众所周知,含长全氟碳链(Rf≤8)的织物整理剂具有优异的拒水拒油性能,其拒水拒油级别通常都是100分和6级(AATCC测试法)且不影响整理后织物的透气性和手感。然而,越来越多的证据显示长氟碳链化合物存在环境和生物积累或毒性。目前,绿色环保的含短氟碳链(Rf≤6)织物整理剂的研发受到高度关注。 本论文中我们设计合成了几类新型的含短氟碳链聚合物涂层材料,并将其作为整理剂应用在棉织物的表面改性上,对整理后织物的润湿性能进行了研究。主要工作描述如下。 (1)常规的含氟整理剂涂层在使用过程中常常不够牢固,因为这些涂层仅仅是通过物理吸附粘结在织物纤维的表面。涂层材料通过共价键连接在基材表面上以形成牢固涂层的方法已经有很多研究。同时,要获得最好的拒水拒油效果,氟碳链应该相互平行排列并且垂直于表面。研究发现,氟碳链侧基能够通过存在于主链与侧基氟碳链之间的氨基间的相互作用而使这种平行和垂直作用固定和加强。本章中,我们设计合成了一系列侧链中含短氟碳链、反应性官能团及氨基的新型丙烯酸酯共聚物(GPF-1,2,3)。GPF-1,2,3具有很低的表面自由能(17.77-25.81 mJ/m2)。用GPF-1(氟碳侧链为CF3(CF2)5-)处理过的织物表现出最好的拒水拒油性,拒水和拒油的级别分别为100分和6级,同时表现出很好的耐水洗性,在50℃经10次皂洗,再经80℃烘干后,拒水性等级仍大于90分,拒油性达5级。此外,经耐久性对照实验研究表明,GPF-1,2,3是通过共价键连接在棉纤维表面。 (2)目前,对低表面能高分子涂层材料(主要是有机硅化合物和有机氟化合物)的研究和应用主要集中在线型聚合物。超支化聚合物是具有三维球状结构的高度支化的大分子,可以通过对其大量末端官能团的化学改性来获得某些具有特殊性质的材料。本章中,我们设计合成了一系列具有不同表面自由能的含短氟碳链超支化聚酯/聚(脲-氨酯)(HPEFs/HPUFs)。HPEFs/HPUFs具有很低的表面自由能(13.67-24.49 mJ/m2),进一步研究表明,其表面自由能几乎与超支化聚合物分子的内部结构无关而只取决于末端氟碳链的长短。处理过的织物对水的接触角滞后、喷淋润湿效果(AATCC测试法)以及拒油性强烈依赖HPEFs/HPUFs表面自由能高低。经HPEF13/HPUF13(氟碳链为CF3(CF2)5-)处理过的棉织物呈现出优异的拒水拒油性能:拒水和拒油级别分别为90分和6级。所有处理过的织物对水都有很大的静态接触角(139-146°)。接触角滞后为5.9-17.6°。 (3)前一章的研究表明,含短氟碳链超支化聚合物具有极低的表面自由能,作为整理剂具有很好的拒水拒油效果。为了使其作为整理剂时具有好的牢固性(耐久性),我们设计合成了一系列含有反应性官能团的含氟超支化聚(脲-氨酯)(HPRFs)涂层材料。HPRFs表现出很低的表面自由能(15.28-15.49 mJ/m2),且几乎与超支化聚合物的分子量无关。将其用作整理剂,得到了高度拒水拒油的棉织物,’拒水拒油级别分别为90分(接触角142-143°)和6级(接触角90-92°)。处理过的织物具有非常好的耐水洗性,在50℃经10次皂洗后,拒水性保持80分,拒油性仍有5级。耐久性对照实验研究表明聚合物和棉纤维表面之间有共价键连接。 (4)超疏水性因其在基础研究和应用中的重要性而成为表面润湿性研究的热点,其通常是通过大的接触角(大于150°)和小的滑落角(小于5°)来表征。我们知道,疏水性可以通过提高表面粗糙度和降低表面自由能两种途径得以改善。因此,人造超疏水表面一般都是通过构建微米和纳米级的粗糙结构并结合低表面能改性获得。本章中,我们通过对多壁碳纳米管(MWCNT)表面进行功能化修饰,设计合成了两种含氟超支化聚合物功能化的多壁碳纳米管超疏水涂层材料(MWCNT-HPEF/HPUF)。对经严格纯化后的产物通过FT-IR、TGA、XPS、TEM和SEM研究表明,超支化聚合物是通过共价键连接在多壁碳纳米管表面。MWCNT-HPEF/HPUF在载玻片上成膜具有超疏水性(接触角156°,接触角滞后小于3°)。用MWCNT-HPEF/HPUF的乙醇分散液作为整理剂得到了超疏水的棉织物(接触角151°,接触角滞后小于5°)。


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